Abmustern in der Fließsimulation

Gehäuse für Allrad-Steuergerät

Herbold Meckesheim nach der K 2022

Anlagen zur Verarbeitung faserverstärkter Kunststoffe sind aufgrund der zumeist langen Taktzeiten der Pressen unterschiedlich intensiv automatisiert. Für einen US-amerikanischen Hersteller großflächiger Komponenten für den Automobilbau wurden zwei Anlagen mit Hilfe von je zwei Robotern automatisiert. Kapazität und Qualität sollten damit erhöht werden.

Für einen Hersteller von Pick-up und Lkw-Bauteilen in Nordamerika hat Schmidt und Heinzmann die ersten beiden von mehreren SMC-Pressen automatisiert. Grund für die Investition seien steigende Stückzahlen und gestiegene Qualitätsansprüche gewesen. Ausgangsmaterial ist ein Halbzeug in Rollenform. Viele Verarbeiter bevorzugen dieses Rollenmaterial, weil die Fasern nicht unkontrolliert brechen und es frei von Faltkanten ist. Das Halbzeug ist beidseitig mit Folie beschichtet, die beim Einziehen des Halbzeugs in die Schneidmaschine abgezogen wird. Beim Schneiden von SMC kann zwischen den beiden Schneidprinzipien angetriebenes Rundmesser und Ultraschallklinge gewählt werden. Hier wurde eine neu entwickelte Ultraschallschneidtechnik mit hochfrequent angeregtem Messer eingesetzt. Das erlaube deutlich längere Produktionsintervalle mit weniger Reinigungs- und Wartungsaufwand als bei einem Rundmesser.

Materialsparend, mit Daten aus einer Nesting-Software, schneidet ein NC-Schneidkopf gemäß Rezeptur die Zuschnitte. Die Software soll einen hohen Materialnutzungsgrad sicherstellen, vor allem bei unterschiedlichen Geometrien und Freiformen. Die Schneidgeschwindigkeit hängt von der Materialdicke – bei den hier eingesetzten SMC-Matten bis 6 Millimeter – und dem Fasergehalt ab. Geschwindigkeiten bis 400 mm/s sind laut Unternehmen möglich.

Die Zuschnitte greift der Stacking-Roboter und legt sie auf einem Tisch mit integrierter Waage ab. Wo der Roboter genau greifen muss, ermittelt die Steuerung automatisch. Das individuelle Programmieren der jeweiligen Zuschnitt-Aufnahmepositionen entfällt. Das spare Zeit beim Einrichten und mache die Anlage sehr flexibel. Die biegeschlaffen Zuschnitte nimmt der Roboter mit einem von Schmidt und Heinzmann entwickelten Nadelgreifer. Die Nadeleinheiten sind variabel ausgelegt, so dass bei unterschiedlichen Zuschnitten der Greifer nicht immer gewechselt werden muss.

Taktzeitbestimmend ist in der Anlage die Presse. Zwischen drei und vier Minuten dauert ein Takt, abhängig von der Masse und Wanddicke des Bauteils. Über ein zentrales Control Panel wird die komplette Anlage gesteuert, bedient und überwacht.

Wiegen für die Qualität

Normalerweise greift der Roboter einen Zuschnitt von der Schneidmaschine, bei kleineren Zuschnitten oder großen Lagenanzahlen auch zwei. Der oder die Zuschnitte werden auf einem Tisch mit integrierter Waage abgelegt und gewogen. Ein Soll-Ist-Vergleich zeigt, ob das Zielgewicht des Zuschnitts beim Schneiden auch eingehalten wurde. Ansonsten wird beim darauf folgenden Zuschnitt automatisch die Größe nachgeregelt, um die Differenz auszugleichen. Dann kommt die nächste Lage. Die Gewichtsprüfung und -regelung soll sicherstellen, dass der Zuschnittstapel, der anschließend in der Presse landet, gleichmäßige Bauteile ergibt.

Den Transport der Zuschnitte zwischen Schneidmaschine und Wiegetisch übernimmt der Palettierroboter. Er bewältigt Traglasten bis 700 Kilogramm mit maximal 3,1 Meter Reichweite. Der zweite Roboter be- und entlädt die Presse. Nach der Entnahme eines fertigen Bauteils greift er sich den Zuschnittstapel und legt ihn in die Presse ein. Das bei rund 200 Grad Celsius fertig „gebackene“ Bauteil entnimmt er anschließend aus der Presse und legt es in eine Abkühlstation oder zum automatischen Abtransport auf ein Ausschleusband. In diesem Anlagenabschnitt folgt bei Bedarf eine Markierung zur Produktnachverfolgung als Data-Matrix-Code oder als Label.

Die Mattenstapel sind, je nach Bauteil, unterschiedlich hoch und bestehen aus bis zu zehn Lagen. Die Masse des Stapels beträgt dann gut 15 bis 20 Kilogramm, bei großflächigen Bauteilen wie der Dachstruktur eines Lkw auch 30 bis 40 Kilogramm. Um diese SMC-Pakete in das Werkzeug einzulegen, ist am Roboter ein Kombi-Greifer mit Fingermodulen zur Beladung und Vakuumsauger zur Entladung des fertigen Bauteils im Einsatz. Schmidt und Heinzmann konzipiere und baue die Greifer selbst, um mehr Flexibilität zu erreichen. In der Regel seien die Greifer dezidiert für ein Bauteil ausgelegt und aus einem Baukasten erstellt. Je nach Layout und Taktzeit habe ein Roboter mehrere Aufgaben zu erledigen, wie in diesem Fall. Dann kommen auch Kombigreifer, teilweise mit verschiedenen Greiftechniken und mehreren Funktionen, zum Einsatz. Möglich ist auch die Integration eines Greiferbahnhofs, an dem der Roboter automatisch den Greifer wechselt.

Traglast und Reichweite waren grundlegende Kriterien bei Wahl der Roboter. In der Anlage für den amerikanischen Lkw-Zulieferer arbeiten zwei Fanuc Roboter der Typen M-410iC und M-900iB. Die jeweils optimale Aufstellposition in der Anlage wurde mit dem 3D-Simulationstool Visual Components und der Fanuc eigene Software Roboguide ermittelt. Für solche Projekte wird die komplette Produktionsumgebung per 3D-Scanner erfasst und die Ergebnisse ins CAD-System eingepflegt. Damit kann der Kunde schon sehr früh seine neue Fertigung virtuell ansehen und belastbare Daten für die Auslegung ermitteln.

Für den Anlagenbetreiber in den USA war bei Auswahl der Roboter wichtig, dass neben den technischen Anforderungen wie Traglast, Reichweite, Toleranzen und Zuverlässigkeit auch Life-Cycle Aspekte wie Service, Ersatzteile und Wartung gewährleistet sind. Fanuc sei in den USA sehr akzeptiert und Marktführer. Zudem habe der Kunde bereits mehrere Roboter des Herstellers im Einsatz und entsprechend geschultes Personal sowie Erfahrungen mit Wartung und Service.

Der Kunde plant, weitere Anlagen und Werke zu automatisieren. Manuell seien die Taktzeiten und ein gleichbleibend hohes Qualitätsniveau nicht zu halten. In der Summe der Argumente kommt man am Einsatz von Robotern und automatisierten Prozessen aus ökonomischen und ergonomischen Gründen nicht vorbei.

Anfang der 70er Jahre hat sich Schmidt und Heinzmann auf Maschine für die Composite-Verarbeitung spezialisiert. Heute ist das Unternehmen mit 150 Mitarbeitern aktiv, die im Jahr 2019 rund 20 Millionen Euro erwirtschafteten. 50 und 70 Prozent der Produktion entfallen pro Jahr auf Anlagen zur Herstellung von SMC-Material oder Bauteilen aus SMC (Sheet Moulding Compound) – überwiegend mit kundenspezifischer Konzeption und produktorientiertem Aufbau.

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